KR101485974B1 - Textile electrode and accumulator containing such an electrode - Google Patents

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Abstract

The invention relates to an electrode comprising (a) an electron collector containing one or more transition metals from the groups 4 to 12 of the Periodic Classification of the Elements, and (b) a material that is electrochemically active, present on the surface of the electron collector in the form of a nano-structured conversion layer containing nano-particles or agglomerates of said nano-particles, wherein the nano-particles have a mean diameter of between 1 and 1000 nm, preferably between 10 and 300 nm, wherein said electrochemically active material contains at least one compound of the transition metal or transition metals present in the electron collector, characterized by the fact that the electrode is a textile formed by metallic wires or fibers. The invention also relates to a half-accumulator and an accumulator containing such a textile electrode.

Description

직물 전극 및 이 전극을 함유하는 축전지 {TEXTILE ELECTRODE AND ACCUMULATOR CONTAINING SUCH AN ELECTRODE}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a textile electrode, and a storage battery containing the same. [0002] TEXTILE ELECTRODE AND ACCUMULATOR CONTAINING SUCH AN ELECTRODE [

본 발명은 표면이 나노 구조로 된 금속 섬유 및/또는 와이어로 이루어진 직물을 기초로 하는 신규한 전극과, 이 전극을 함유하는 반축전지 및 축전지에 관한 것이다.The present invention relates to a novel electrode based on a fabric made of a metal fiber and / or wire whose surface is a nanostructure, and a semi-battery and a battery containing the electrode.

휴대용 전자 기기 시장이 현저하게 비약함에 따라서 충전식 전지 또는 축전지 분야에 대한 관심이 더욱 증대되고 있다. 눈부신 성장이 이루어져 있는 휴대용 전화와 더불어, 매년 20%씩 성장하는 휴대용 컴퓨터의 판매는 이들의 전원 공급 장치의 성능에 대한 새로운 요구를 발생시킨다. 또한, 이는 캠코더, 디지털 사진 기기, CD 플레이어, 무선 기기 및 충전식 전지를 점점 더 일반적으로 요하는 여러 가지 장난감의 시장으로도 역시 확대되고 있다. 마지막으로, 21세기에는 열기관으로부터의 오염 물질 배출 및 온실 효과에 관한 국제적인 법규가 점점 더 엄격해짐에 따라 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 공급망 (power grid)에서 충전 가능한 하이브리드 자동차의 상당한 발전이 있을 것으로 예상된다.As the market for portable electronic devices is remarkably leaning, interest in rechargeable batteries or battery fields is increasing. With mobile phones with dazzling growth, the sale of portable computers that grow at 20% per year creates new demands on the performance of their power supplies. It is also expanding into a variety of toy markets that are increasingly commonplace for camcorders, digital photography, CD players, wireless devices and rechargeable batteries. Finally, in the 21st century, there will be significant developments in electric vehicles, hybrid cars and hybrid electric vehicles that can be recharged in the power grid, as international regulations on pollutant emissions and greenhouse effects from heat engines become increasingly stringent. do.

새로운 전자 장치들의 탄생으로 인하여 물체의 소형화에 호환성이 있는, 자율성이 증대되고 박형(箔型)의 플랙시블한 축전지의 개발이 필요하게 된다. 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 공급망에서 충전 가능한 하이브리드 자동차 시장에 있어서, 동시에 가볍고 소형이며 안전하고 기존의 동력화 해법에 경쟁할 수 있도록 가격면에서 매우 경쟁력 있는 축전지를 얻는 것이 중요하다.Due to the birth of new electronic devices, there is a need to develop a flexible, foil-type battery that is compatible with the miniaturization of an object and has an increased autonomy. In the hybrid electric vehicle market for electric vehicles, hybrid cars and electric power supply networks, it is important to obtain a battery that is very competitive at the same price in order to be light, compact, safe and able to compete with existing power generation solutions.

"리튬 금속" (또는 Li 금속)이라는 용어는 일반적으로 애노드 또는 음극이 금속을 포함하고, 전해질이 리튬 이온을 포함하며, 캐소드 또는 양극이 상기 리튬과 가역적 방식으로 전기 화학 반응을 하는 1종 이상의 물질을 포함하는 것인 기술을 정의한다. 상기 리튬과 가역적 방식으로 전기 화학 반응을 하는 물질로서는, 예컨대 리튬을 함유하거나 함유하지 않는 삽입재 (insertion material)가 있다. 상기 전해질은 이것이 액체인지 또는 리튬염이 적재된 중합체인지에 관계없이 (후자의 경우, 일반적으로 건식 중합체라고 불린다), 리튬 이온을 포함한다. The term "lithium metal" (or Li metal) generally refers to one or more materials in which the anode or cathode comprises a metal, the electrolyte comprises lithium ions and the cathode or anode electrochemically reacts reversibly with the lithium ≪ / RTI > As a substance that performs an electrochemical reaction with the lithium in a reversible manner, there is, for example, an insertion material containing or not containing lithium. The electrolyte includes lithium ions, regardless of whether it is a liquid or a polymer loaded with a lithium salt (in the latter case, it is generally called a dry polymer).

"리튬 이온" (또는 Li 이온)이라는 용어는 일반적으로 캐소드가 리튬을 포함하고 있는 삽입재를 포함하고, 애노드가 상기 리튬과 가역적 방식으로 전기 화학 반응을 하는 1종 이상의 물질을 포함하며, 전해질이 리튬 이온을 포함하는 것인 기술을 정의한다. 상기 리튬과 가역적 방식으로 전기 화학 반응을 하는 물질로서는, 예컨대 리튬 또는 탄소를 함유하거나 함유하지 않는 삽입재가 있다. 상기 전해질은 이것이 액체인지 또는 액체에 침지된 중합체의 형태인지에 관계없이 (후자의 경우, 일반적으로 가소성 전해질이라고 불린다), 리튬 이온을 포함한다. The term "lithium ion" (or Li ion) generally encompasses an insulator in which the cathode contains lithium, and the anode comprises one or more materials that undergo electrochemical reactions in a reversible manner with the lithium, Lt; RTI ID = 0.0 > lithium-ion < / RTI > Examples of the substance that performs an electrochemical reaction with the lithium in a reversible manner include lithium or an insertion material containing or not containing carbon. The electrolyte includes lithium ions regardless of whether it is a liquid or a polymer immersed in a liquid (in the latter case, generally referred to as a plastic electrolyte).

리튬 금속 및 리튬 이온 기술은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 전력 공급망에서 충전 가능한 하이브리드 자동차의 필요를 충족시킬 수 있으나, 사용되는 물질의 성질을 고려하여 보면 여전히 비용이 높고 안전 수준이 불충분하다.Lithium metal and lithium-ion technology can meet the needs of electric vehicles, hybrid vehicles and hybrid electric vehicles that can be recharged in the power supply grid, but considering the nature of the materials used, they are still expensive and insufficient in safety.

Wh/㎏의 축전지로 표시되는 축전지의 비(比)에너지 (specific energy) 밀도는 전기적 운송 수단, 예컨대 전기 자동차, 전기적 자율성 (재충전식 또는 기타)이 있는 하이브리드 자동차 또는 전기 버스에 적용하기 위한 배터리의 중요한 한계로 남아있다. 리튬 이온 종류 중에서 현재 가장 양호한 배터리는 비에너지 밀도가 100 내지 120 Wh/㎏ 범위인데, 대규모용으로는 비용이 훨씬 더 높다.The specific energy density of the battery indicated by the battery of Wh / kg is the ratio of the specific energy density of the battery to that of an electric vehicle, such as an electric vehicle, a hybrid vehicle with electrical autonomy (rechargeable or otherwise) It remains an important limitation. Among the lithium ion types currently the best batteries have a specific energy density in the range of 100 to 120 Wh / kg, which is much more expensive for large scale applications.

본 출원의 출원인 명의의 프랑스 특허 출원 FR 2 870 639에는 전자 수집기 (electron collector)를 형성하는 금속 또는 금속들의 화합물, 예컨대 산화물로 구성된 나노 입자를 함유하는 "나노 구조로 된" 전기 화학적 활성 물질로 이루어진 층이 상기 전자 수집기의 표면에 존재하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 또는 리튬 금속 축전지용 전극이 설명되어 있다. 상기 전기 화학적 활성 물질의 특정 구조는 전력 및 비에너지 밀도의 관점에서 성능의 향상을 가능하게 한다.French patent application FR 2 870 639 in the name of the present applicant is made up of a "nanostructured" electrochemically active material containing nanoparticles composed of a metal or a compound of metals, for example an oxide, forming an electron collector Layer is present on the surface of the electron collector. ≪ Desc / Clms Page number 2 > The specific structure of the electrochemically active material allows for improved performance in terms of power and non-energy density.

그러나, 이들 배터리의 상기 비에너지 밀도는, 여러 가지 것들 중에서, 전극의 한정된 비용량(比容量) 때문에 항상 제한된다.However, the specific energy density of these batteries is always limited, among other things, due to the limited specific capacity of the electrodes.

Wh/㎏의 배터리로 표시되는 이들 배터리의 비에너지 밀도는 Ah/㎏의 전극으로 나타내는 양극 또는 음극의 비용량의 함수로서 증가한다. 다시 말하면, 음극의 비용량의 증가는 상기 배터리의 비에너지 밀도의 증가를 일으키게 된다. 상기 음극의 비용량은 다음과 같이 나타낼 수 있다.The specific energy density of these batteries, expressed in Wh / kg of battery, increases as a function of the specific capacity of the anode or cathode, which is represented by the Ah / kg electrode. In other words, an increase in the specific capacity of the cathode causes an increase in the specific energy density of the battery. The specific capacity of the cathode can be expressed as follows.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112008088918613-pct00001
Figure 112008088918613-pct00001

상기 식 중에서,In the formula,

Cm은 음극의 비용량 (Ah/㎏)이고,C m is the specific capacity of the cathode (Ah / kg)

Cs는 음극의 표면 용량 (Ah/㎡)이며,C s is the surface capacity of the cathode (Ah / m 2)

Sgeo는 음극의 기하학적 표면 (㎡)이고,S geo is the geometric surface of the cathode (m2)

m_는 음극의 질량 (㎏)이다.m_ is the mass of the cathode (kg).

직물 전극을 설명하기 위하여 본 명세서에서 사용되는 "기하학적 표면"이라는 용어는 금속 섬유의 거대 규모에서의 치수 (dimension)를 말한다. 이 기하학적 표면은 직물의 구조, 즉 직물을 구성하는 와이어의 수, 모양 및 크기, 또는 섬유 조직 (fabric weave)의 크기에 무관하다. 그러므로, 상기 기하학적 표면은 상기 축전지 내부의 직물의 부피 (bulk)만을 반영한다.The term "geometric surface" as used herein to describe a fabric electrode refers to a dimension on a macroscopic scale of a metal fiber. This geometric surface is independent of the structure of the fabric, i.e. the number, shape and size of the wires making up the fabric, or the size of the fabric weave. Therefore, the geometric surface reflects only the bulk of the fabric inside the battery.

상기 음극의 비용량은 다음과 같이 나타낼 수 있다.The specific capacity of the cathode can be expressed as follows.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112008088918613-pct00002
Figure 112008088918613-pct00002

상기 식 중에서, In the formula,

C_는 음극의 용량 (Ah)이고,C_ is the capacity (Ah) of the cathode,

Sdev는 음극의 전면 (展面; developed surface) (㎡)이며,S dev is the developed surface (m 2) of the cathode,

Sgeo는 음극의 기하학적 표면 (㎡)이다.S geo is the geometric surface of the cathode (m2).

본 명세서에서 상기 "전면"이라는 용어는 미세 규모에서의 금속 섬유의 표면, 즉 금속 와이어 (전자 수집기)와 주변의 환경 (변환층의 형성 전) 사이의 실제 경계면 또는 상기 금속 와이어의 표면에 형성된 변환층과 환경 사이의 경계면을 나타낸다. 이 표면은 ㎡로 표시된다.As used herein, the term "front side" refers to the surface of a metal fiber on a micro scale, that is, the actual interface between the metal wire (electron collector) and the surrounding environment (before formation of the conversion layer) Represents the interface between the layer and the environment. This surface is expressed in m2.

상기 금속 직물은, BET법에 의하여 측정되고, ㎡/㎡로 표시되는 "전면"과 "기하학적 표면"간의 비율에 대응하는 그의 "비표면(比表面)"에 역시 특색이 있다.The metal fabric is also characterized by its "specific surface", which is measured by the BET method and which corresponds to the ratio between "front" and "geometrical surface" expressed in m 2 / m 2.

상기 식 (1)과 (2)를 결합하면 다음과 같은 식을 얻는다.Combining Equations (1) and (2) gives the following equation.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112008088918613-pct00003
Figure 112008088918613-pct00003

비율 C_/Sdev의 값은 전극에 존재하는 전기 화학적 활성 물질의 화학적 성질 및 두께와 관련이 있다. 사실상, 상기 비율은 활성 물질의 단위 질량당 용량 (C_/mma) 및 단위 전면당 활성 물질의 질량 (mma/Sdev)의 곱으로서 표시될 수 있다.The ratio C_ / S dev is related to the chemistry and thickness of the electrochemically active material present on the electrode. In fact, the ratio can be expressed as the product of the capacity per unit mass of active material (C_ / m ma ) and the mass of active material per unit area (m ma / S dev ).

그러므로:

Figure 112008088918613-pct00004
therefore:
Figure 112008088918613-pct00004

활성 물질의 단위 질량당 용량 (C_/mma)은 상기 전극에서 일어나는 전기 화학 반응에 대한 반응식에 관련되어 있는 전자들의 수에 비례한다. 이는 상기 전기 화학적 활성 물질의 화학적 성질에 의하여 정해진다.The capacity per unit mass (C_ / mma ) of the active material is proportional to the number of electrons involved in the reaction equation for the electrochemical reaction taking place at the electrode. This is determined by the chemical nature of the electrochemically active material.

단위 전면당 활성 물질의 질량 (mma/Sdev)은 전기 화학적 활성 물질로 이루어진 층의 두께와 상기 활성 물질의 밀도의 곱에 대응한다. 따라서, 활성 물질의 밀도는 상기 활성 물질의 화학적 성질과 상기 층의 두께를 결정하는 활성 물질의 제조 방법에 의하여 정해진다.The mass of the active material (m ma / S dev ) per unit area corresponds to the product of the thickness of the layer made of the electrochemically active material and the density of the active material. Thus, the density of the active material is determined by the method of making the active material that determines the chemical properties of the active material and the thickness of the layer.

본 발명의 출원인은 상기 리튬 이온 또는 리튬 금속 종류의 축전지의 전극 중의 1개를 상기 특허 출원 FR 2 870 639에 기재되어 있는 것과 같은 나노 구조로 된 전기 화학적 활성의 물질로 이루어진 층을 포함하는 금속 섬유 및/또는 와이어 (전자 수집기)를 기초로 하는 직물의 형태로 구성함으로써 상기 축전지용 전극의 비용량을 증가시키고, 그 결과 이들 축전지의 에너지 밀도를 증가시키는 방법을 발견하였다.The applicant of the present invention has proposed to use one of the electrodes of the lithium-ion or lithium metal-type battery as a metal fiber including a layer made of a nano-structured electrochemically active material as described in the above-mentioned patent application FR 2 870 639 And / or a wire (electronic collector), thereby increasing the specific capacity of the electrode for the battery, thereby increasing the energy density of these batteries.

상기 리튬 이온 또는 리튬 금속 축전지의 전극 중의 1개를 위하여 직물형 구조를 선택하면, 사실상 활성 물질로 이루어진 층의 화학적 성질 및 소정의 두께로 인하여, 전극의 단위 질량당 전자 수집기 및 전기 화학적 활성 물질 사이의 경계면의 면적 (Sdev/m_)이 상당히 증가하게 된다.When the fabric type structure is selected for one of the electrodes of the lithium ion or lithium metal battery, the chemical property of the layer made of the substantially active material and the predetermined thickness can be used as a function of the mass of the electrode per unit mass of the electrode and the electrochemical active material The area (S dev / m -) of the interface between the first electrode and the second electrode increases considerably.

그러므로, 본 발명의 주제는,The subject of the present invention, therefore,

(a) 주기율표의 Ⅳ족 내지 ⅩⅡ족으로부터의 1종 이상의 전이 금속을 포함하는 전자 수집기와,(a) an electron collector comprising at least one transition metal from Groups IV to XII of the Periodic Table, and

(b) 나노 입자 또는 이 나노 입자의 클러스터를 포함하는 나노 구조로 된 변환층의 형태로 상기 전자 수집기의 표면에 존재하는 전기 화학적 활성 물질(b) an electrochemically active material present on the surface of said electron collector in the form of nanoparticles or nanostructured conversion layers comprising clusters of these nanoparticles

을 포함하는 리튬 이온 또는 리튬 금속 축전지용 전극이다. 상기 나노 입자는 평균 직경이 1 내지 1,000 nm, 좋기로는 10 내지 300 nm이고, 상기 전기 화학적 활성 물질은 상기 전자 수집기 중에 존재하는 전이 금속 또는 전이 금속들로 이루어진 1종 이상의 화합물을 포함하며, 상기 전극은 금속 섬유 및/또는 와이어로부터 형성되는 직물인 것을 특징으로 한다.And an electrode for a lithium metal battery. Wherein the nanoparticles have an average diameter of 1 to 1,000 nm, preferably 10 to 300 nm, and the electrochemically active material comprises at least one compound consisting of transition metals or transition metals present in the electron collector, Wherein the electrode is a fabric formed from metal fibers and / or wires.

상기 특허 출원 FR 2 870 639에 설명되어 있는 바와 같이, 본 발명은 미세 구조이고, 상기 전자 수집기 중에 존재하는 전이 금속의 1종 이상의 화합물의 나노 입자를 포함하는 나노 구조로 된 층은 변환층, 즉 상기 기판 금속의 표면의 화학적 또는 전기 화학적 변형을 통하여 얻은 층이다. 이러한 변환층의 알려져 있는 이점으로서는, 특히 형성된 표면층의 상기 기판에 대한 양호한 접착력과 그러한 층이 초기 금속의 단순한 가공 처리에 의하여 제조될 수 있는 탁월한 용이성을 들 수 있다. 상기 금속 표면 가공 처리 기술은 알려져 있는 이들 이점 이외에도, 본 발명의 전극의 미세 직물 구조와 관련되어 있는 특정의 이점이 있다. 이 이점은 상기 전기 화학적 활성 물질의 형성 도중, 상기 전극의 직물 구조를 보존하는 것, 즉 상기 섬유의 개공 또는 조직 (weave)이 폐쇄됨으로써 사라지도록 유발하지 않는 것이 필요 불가결한 것에 기인한다. 피막을 상기 직물 구조체의 표면에 피착시킴으로써 전기 화학적 활성 피막을 형성시키는 방법은 상기 직물 중의 개공 (조직)의 폐쇄의 심각한 위험성을 일으켜서 그러한 직물 구조의 고유의 이점을 상쇄시키게 된다. 상기 직물 개공 폐쇄의 위험성은 상기 개공이 작을수록 명백하게 증가한다. 변환층을 형성시킴으로써 상기 활성 물질을 제조하면 어떠한 금속 또는 어떠한 기타의 재료도 외부로부터 도입되지 않기 때문에 상기 직물 개공이 폐쇄되는 위험성이 제한되어서, 상기 전극 (전자 수집기 + 활성 물질)의 미세 치수들 (와이어의 직경 및 공간)은 초기에 사용된 직물의 그것들과 대략 동일하게 된다.As described in the above-mentioned patent application FR 2 870 639, the present invention is a microstructure, and a nanostructured layer comprising nanoparticles of at least one compound of a transition metal present in the electron collector, Is a layer obtained through chemical or electrochemical modification of the surface of the substrate metal. Known advantages of such a conversion layer include good adhesion to the substrate of the surface layer formed in particular and excellent ease with which such a layer can be produced by simple processing of the initial metal. In addition to these known advantages, the metal surface processing technique has certain advantages associated with the fine-fabric structure of the electrode of the present invention. This advantage is due to the fact that during the formation of the electrochemically active material it is necessary to preserve the fabric structure of the electrode, i.e. not to cause it to disappear by closing the weave of the fibers. The method of forming an electrochemically active coating by depositing a coating on the surface of the fabric structure causes a serious risk of clogging of the apertures in the fabric, thereby offsetting the inherent advantages of such a fabric structure. The risk of the fabric pore closure is obviously increased as the pore size is smaller. When the active material is produced by forming the conversion layer, the risk that the fabric openings are closed is limited because no metal or any other material is introduced from outside, and the fine dimensions of the electrode (electron collector + active material) The diameter and spacing of the wire) are approximately equal to those of the fabric initially used.

본 발명에 따른 전극을 형성하는 데 사용되는 금속 와이어로 이루어진 직물은 직조물, 부직물 또는 편직물일 수 있다. 직조물인 것이 좋다.The fabric made of the metal wire used to form the electrodes according to the present invention may be woven, non-woven or knitted. It is better to be woven.

본 발명의 전극을 형성하는 데 사용되는 금속 직물은 서로 간에 비교적 적게 분리되어 있는 매우 얇은 와이어로부터 형성되는 것이 좋다. 사실상, 상기 와이어가 더 얇고 단위 표면당 와이어의 수가 더 많을수록, 전술한 BET 비표면 (기하학적 표면의 ㎡당 전면)은 더 높다. 그러나, 상기 와이어의 얇기는 와이어 드로잉에 사용되는 금속 또는 금속 합금의 능력에 의하여 제한될 수 있다. 구리, 알루미늄, 청동, 황동과, 크롬 및 니켈과 합금된 일부 강철 등의 일부 금속 및 합금은 와이어 드로잉에 매우 적당하므로, 매우 얇은 와이어의 형태로 얻을 수 있고, 일반적인 강철 등의 기타 금속 또는 합금은 와이어 드로잉이 더 어렵고 등가 직경의 크기가 수백 마이크로미터인 상대적으로 두꺼운 와이어의 형태로만 얻을 수 있다.The metal fabrics used to form the electrodes of the present invention are preferably formed from very thin wires that are relatively less separated from each other. In fact, the above BET specific surface (per square meter of geometric surface) is higher as the wire is thinner and the number of wires per unit surface is greater. However, the thinness of the wire can be limited by the ability of the metal or metal alloy used for wire drawing. Some metals and alloys, such as copper, aluminum, bronze, brass, and some steel alloys with chromium and nickel, are very suitable for wire drawing and can be obtained in the form of very thin wires and other metals or alloys, Wire drawing is more difficult and can only be achieved in the form of relatively thick wires with an equivalent diameter of several hundred micrometers.

일반적으로 말하자면, 초기의 직물을 형성하는 금속 섬유 또는 와이어, 또는 활성 물질로 이루어진 변환층으로 피복된 직물 전극의 와이어의 단면의 등가 직경은 5 ㎛ 내지 1 ㎜, 좋기로는 10 ㎛ 내지 100 ㎛, 특히 15 ㎛ 내지 50 ㎛이다. 상기 "등가 직경"이라는 용어는 면적이 그 와이어의 단면적과 동일한 원의 직경을 의미하는 것으로 이해된다.Generally speaking, the equivalent diameter of the cross-section of the wire of the fabric electrode coated with the conversion layer made of the metal fiber or wire forming the initial fabric, or the active material is 5 탆 to 1 탆, preferably 10 탆 to 100 탆, Particularly 15 to 50 mu m. The term "equivalent diameter" is understood to mean the diameter of a circle whose area is equal to the cross-sectional area of the wire.

본 발명의 전극을 형성하는 와이어의 작은 등가 직경은 상기 와이어로 하여금 축전지 중의 그들의 사용의 관점에서 상기 전극의 질량을 유리하게 제한하게 한다. 따라서, 변환층에 의하여 피복된 전자 수집기로 구성되는 본 발명에 따른 전극은 단위 면적 질량이 1000 g/㎡의 기하학적 표면 미만인 것이 유리하고, 좋기로는 10 내지 500 g/㎡의 기하학적 표면이다.The small equivalent diameter of the wires forming the electrodes of the present invention allows the wires to advantageously limit the mass of the electrodes in terms of their use in the battery. Thus, it is advantageous that the electrode according to the invention, consisting of an electron collector coated with a conversion layer, has a unit area mass below the geometric surface of 1000 g / m 2, preferably 10 to 500 g / m 2.

서두에 설명되어 있는 바와 같이, 본 발명의 주목적은 최소 전자 수집기 질량에 대한 최대 활성 표면 (금속 원료와 관련된 비용 절감)과 최소 부피 (축전지의 소형화)를 갖는 리튬 이온 또는 리튬 금속 축전지용 전극을 제안하려는 것이다. 전술한 바와 같은 금속 직물을 사용함으로써, 본 출원인은 상기 전극의 기하학적 표면의 비표면 (단위 표면당으로 표시됨)이 2 내지 100 ㎡/㎡, 좋기로는 20 내지 80 ㎡/㎡이고, 전극의 단위 질량당 전면은 10-3 내지 5 ㎡/g, 좋기로는 10-2 내지 3 ㎡/g의 전극인 전극을 제조하는 데 성공하였다.As explained at the beginning, the main object of the present invention is to propose an electrode for a lithium ion or lithium metal battery having a maximum active surface (cost saving associated with metal raw material) and a minimum volume (miniaturization of a battery) for a minimum electron collector mass I want to. By using a metal fabric as described above, Applicants have found that the specific surface (expressed per unit surface) of the geometric surface of the electrode is from 2 to 100 m 2 / m 2, preferably from 20 to 80 m 2 / m 2, And an electrode having an overall surface area per mass of 10 -3 to 5 m 2 / g, and preferably 10 -2 to 3 m 2 / g.

본 발명에 따른 전극은 주로 이것이 직물 구조라는 점에서, 전술한 특허 출원 FR 2 870 639에서 본 출원인에 의하여 개시 및 청구된 것들과 구별된다. 전자 수집기와 변환층의 화학적 조성에 관하여, 본 발명의 전극의 기술적 특성은 본 출원서에 개시되어 있으며 적절한 와이어 드로잉능 및 직조능을 나타내는 금속 및 금속 합금으로부터 선택될 필요성이 있다는 점을 제외하고는, FR 2 870 639에 개시되어 있는 것들과 유사하다. The electrodes according to the invention are distinguished from those disclosed and claimed by the applicant in the above-mentioned patent application FR 2 870 639, mainly because this is a textile structure. With regard to the chemical composition of the electron collector and the conversion layer, the technical characteristics of the electrodes of the present invention are described in the present application, and there is no need to select from the metals and metal alloys that exhibit adequate wire drawability and weaving ability. FR 2 870 639, which is incorporated herein by reference.

본 발명의 양호한 실시 상태에 있어서, 상기 전자 수집기의 전이 금속(들)은 니켈, 코발트, 망간, 구리, 크롬 및 철로 이루어진 군으로부터, 좋기로는 철 및 크롬으로부터 선택된다.In a preferred embodiment of the present invention, the transition metal (s) of the electron collector is selected from the group consisting of nickel, cobalt, manganese, copper, chromium and iron, preferably iron and chromium.

본 발명에 따른 전극의 활성 물질을 형성하는 변환층의 형성 도중에, 이들 금속은 이하에 더 상세하게 설명되어 있는 적절한 방법에 의하여 상기 전이 금속(들)의 화합물로 변환된다. 이 화합물은 무기 화합물인 것이 좋고, 칼코겐화물 및 할로겐화물, 좋기로는 칼코겐화물 (산소, 황, 셀레늄, 텔루르)로부터 선택되는 것이 유리하며, 상기 변환층에 존재하는 금속 화합물은 금속 산화물인 것이 특히 좋다.During the formation of the conversion layer to form the active material of the electrode according to the invention, these metals are converted into the compounds of the transition metal (s) by suitable methods as described in more detail below. This compound is preferably an inorganic compound and is advantageously selected from chalcogenides and halides, preferably chalcogenides (oxygen, sulfur, selenium, tellurium), and the metal compound present in the conversion layer is a metal oxide It is especially good.

본 발명의 특히 양호한 실시 상태에 있어서, 상기 전이 금속 화합물은 다음의 화학식으로 나타내는 화합물이다.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the transition metal compound is a compound represented by the following formula:

[화학식][Chemical Formula]

MxOy M x O y

상기 식 중에서, 1 ≤ x ≤ 3이고, 1 ≤ y ≤5, 좋기로는 1 ≤ y ≤4이며, M은 1종 이상의 전이 금속이다. 이 화합물은, 좋기로는 스피넬 구조체 (spinelle structure) AB2O4에 의하여 형성되는 군 (식 중에서, A는 Fe, Mn, Cr, Ni, Co 및 Cu에 의하여 형성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속이고, B는 Fe, Cr 및 Mn에 의하여 형성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속이다), 및/또는 세스퀴옥시드 (sesquioxide) M'2O3 (식 중에서, M'은 Fe, Mn, Cr, Ni, Co 및 Cu에 의하여 형성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속이다)에 의하여 형성되는 군으로부터 선택된다.In the above formula, 1? X? 3, 1? Y? 5, preferably 1? Y? 4, and M is at least one transition metal. This compound is preferably a group formed by a spinelle structure AB 2 O 4 wherein A is at least one selected from the group formed by Fe, Mn, Cr, Ni, Co and Cu a transition metal, B is Fe, Cr and a transition metal at least one member selected from the group formed by Mn), and / or process kwiok seed (sesquioxide) M 'from the 2 O 3 (formula, M' is Fe, Mn, Cr, Ni, Co, and Cu).

상기 전이 금속 화합물은, 특히 Cr2O3 또는 다음의 화학식에 대응하는 화합물이다.The transition metal compound is in particular Cr 2 O 3 or a compound corresponding to the following formula:

[화학식][Chemical Formula]

Fex'Cry'Mnz'O4 Fe x ' Cr y' Mn z ' O 4

상기 식 중에서, 0 ≤ x' ≤1, 0 ≤ z' ≤1 및 x'+y'+z'=3이다.In the above formula, 0? X '? 1, 0? Z'? 1 and x '+ y' + z '= 3.

M의 원자가는, 좋기로는 2 또는 3, 특히 3이다. 상기 화학식 Fex'Cry'Mnz'O4로 나타내는 화합물은, 예컨대 다음의 화학식 Fex'Cr1 -x'Cr2O4 (여기서, x'은 전술한 값이다)로 나타내는 화합물을 포함한다. The valence of M is preferably 2 or 3, especially 3. The compound represented by the formula Fe x ' Cr y' Mn z ' O 4 includes, for example, a compound represented by the following formula: Fe x' Cr 1 -x ' Cr 2 O 4 (wherein x' do.

전술한 바와 같이, 본 발명의 직물 전극의 변환층은 평균 직경이 1 내지 1,000 nm, 좋기로는 10 내지 300 nm인 나노 입자를 포함하는 "나노 구조로 된" 층이다. 그러한 나노 구조로 된 층은 거칠고 다공성인 구조에 의하여 구별되고, 나노 입자를 50 중량% 이상, 좋기로는 70 중량% 이상 포함한다.As noted above, the conversion layer of the fabric electrode of the present invention is a "nanostructured" layer comprising nanoparticles having an average diameter of 1 to 1,000 nm, preferably 10 to 300 nm. Such nanostructured layers are distinguished by a coarse and porous structure and contain at least 50 wt%, preferably at least 70 wt%, of nanoparticles.

상기 직물 전극의 변환층에 있어서, 상기 나노 입자는 재배치되어 서로 클러스터를 형성하는 것이 좋은데, 상기 클러스터의 평균 크기는 1 내지 10,000 nm, 특히 10 내지 3,000 nm인 것이 좋다. 상기 나노 입자 클러스터를 기초로 하는 다공성 구조는, 예컨대 주사 전자 현미경에 의하여 확인될 수 있다.In the conversion layer of the fabric electrode, it is preferable that the nanoparticles are rearranged to form a cluster with each other. The average size of the clusters is 1 to 10,000 nm, particularly 10 to 3,000 nm. The porous structure based on the nanoparticle clusters can be identified, for example, by scanning electron microscopy.

상기 변환층 (전기 화학적 활성 물질)은 상기 전자 수집기의 표면을 완전히 피복하는 것이 좋고, 두께는 30 nm 내지 15,000 nm, 특히 30 nm 내지 12,000 nm인 것이 좋다.It is preferable that the conversion layer (electrochemically active material) completely covers the surface of the electron collector, and the thickness is 30 nm to 15,000 nm, particularly 30 nm to 12,000 nm.

특히 유리한 한 가지 실시 상태에 따르면, 상기 전자 수집기는 크롬 함유 합금, 예컨대 철과 크롬으로 이루어진 합금으로부터 형성되는 섬유이다. 상기 전자 수집기는 스테인리스강으로 제조되는 것이 좋다.According to one particularly advantageous embodiment, the electron collector is a fiber formed from a chromium-containing alloy, such as an alloy of iron and chromium. The electron collector may be made of stainless steel.

전술한 바와 같은 나노 구조로 된 변환층의 형성 후, 리튬 이온 또는 리튬 금속 축전지의 전극으로서 사용될 수 있는 전이 금속계 금속 섬유는 선행 기술 중에 알려져 있고, 예컨대 다음의 상품명, 즉 플레인 스퀘어 위브 (plain square weave), 트윌 스퀘어 위브 (twill square weave), 플레인 웨프트 립 (plain weft rib), 트윌 웨프트 립 (twill weft rib), 플레인 랩 립 (plain wrap rib), 트윌 랩 립 (twill wrap rib)으로 시판되고 있다.After formation of the nanostructured conversion layer as described above, transition metal-based metal fibers which can be used as electrodes for lithium ion or lithium metal accumulators are known in the prior art and are described, for example, in the following trade names: plain square weave ), Twill square weave, plain weft rib, twill weft rib, plain wrap rib, twill wrap rib, .

상기 나노 구조로 된 변환층의 형성법은 출원 FR 2 870 639에 설명되어 있다. 이 문헌 중에서 사용되는 처리법은 전술한 금속 직물에 대하여 추가의 사전 조치 또는 개질을 하는 일이 없이 사용될 수 있다. 상기 변환 처리는, 예컨대 환원, 중성, 산화 분위기 중에서의 고온 열처리이다. 이들 처리법은 이 기술 분야의 숙련자에게 알려져 있으며 일반적으로 사용되고 있다.The method of forming the nanostructured conversion layer is described in application FR 2 870 639. The process used in this document can be used without further pretreatment or modification to the metal fabric described above. The conversion process is, for example, a high temperature heat treatment in a reducing, neutral, oxidizing atmosphere. These treatments are known and commonly used by those skilled in the art.

예를 들면, 상기 처리는 500 내지 1,000℃ 범위, 좋기로는 600 내지 800℃ 범위의 온도, 예컨대 약 700℃의 온도에서 1 시간 내지 16 시간 동안의 수소 중에서의 처리일 수 있다.For example, the treatment may be a treatment in hydrogen at a temperature in the range of 500 to 1,000 占 폚, preferably 600 to 800 占 폚, for example at a temperature of about 700 占 폚 for 1 hour to 16 hours.

또한, 상기 처리는 600 내지 1,200℃ 범위, 좋기로는 800 내지 1,150℃ 범위의 온도, 예컨대 약 1000℃의 온도에서 1 분 내지 16 시간 동안의 공기 중에서의 처리일 수 있다.Further, the treatment may be treatment in air at a temperature in the range of 600 to 1,200 ° C, preferably 800 to 1,150 ° C, for example, at a temperature of about 1000 ° C for 1 minute to 16 hours.

산화 또는 환원 열처리의 마지막에 형성되는 변환층은, 일반적으로 본 발명의 직물 전극을 위하여 추구되는 명확한 나노 구조로 된 구조체는 아니다. 전극의 최종적인 나노 구조화, 즉 나노 입자의 형성은 축전지의 제1 방전 도중에만 일어난다. 상기 직물 전극을 리튬 축전지에 함유시키기 전에, 직물 전극에 상기 방전을 수행하는 것도 물론 가능하다. 이 제1 방전은, 예컨대 상기 직물 전극을 저전류 밀도 (0.05 내지 5 ㎃/㎠의 전극의 기하학적 표면)에서, 리튬염을 함유하는 유기 전해질 중의 리튬 전극에 대하여 상기 리튬에 대하여 20 ㎷의 전위까지 환원시킨 다음, 상기 직물 전극을 저전류 밀도 (0.05 내지 0.5 ㎃/㎠의 전극의 기하학적 표면)에서, 상기 리튬에 대하여 3000 ㎷의 전위까지 산화시킴으로써 수행할 수 있다.The conversion layer formed at the end of the oxidation or reduction heat treatment is generally not a clear nanostructured structure sought for the inventive fabric electrode. The final nanostructuring of the electrode, i. E., The formation of nanoparticles, occurs only during the first discharge of the battery. It is of course possible to carry out the discharge to the fabric electrode before incorporating the fabric electrode into the lithium battery. This first discharge can be carried out, for example, at a low electric current density (geometric surface of the electrode of 0.05 to 5 mA / cm 2) of the fabric electrode to a lithium electrode in the organic electrolyte containing the lithium salt to a potential of 20 kV And then oxidizing the fabric electrode to a potential of 3000 mV against the lithium at a low current density (geometric surface of the electrode of 0.05 to 0.5 mA / cm 2).

또한, 본 발명의 주제는 전술한 바와 같은 직물 전극을 함유하는 전기 화학적 반축전지 및 전기 화학적 축전지이다.The subject of the present invention is also an electrochemical half-cell and an electrochemical battery containing a fabric electrode as described above.

본 발명에 따른 전기 화학적 반축전지는 전술한 바와 같은 나노 구조로 된 변환층이 있는 직물 전극을 함유하는데, 상기 직물 전극은 그 전체 표면이 상기 배터리 전극을 분리시키도록 작용하는 것을 보장하는 피막으로 피복되어 있다. 이 피막은 축전지의 2개의 전극을 전기적으로 분리시키도록 고안된다. 나아가, 이 격리막은 1종 이상의 리튬염을 포함하는 액체 전해질 중에 침지될 수 있어야 하므로, 상기 전해질에 의하여 팽윤될 수 있는 다공성 구조 또는 중합체 구조인 것이 좋다. 본 발명의 전극의 직물 구조로부터 직접 발생하는 이점, 즉 큰 비용량 및 에너지 밀도로 이어지는 높은 비표면을 보존하기 위하여, 상기 격리막의 증착을 반축전지 중에 이 직물 구조가 항상 나타나도록 하는 방식으로 수행하는 것이 필수적이다. 다시 말하면, 상기 격리막의 증착으로 인하여 상기 전극을 형성하는 금속 직물의 개공 또는 조직이 폐쇄되지 않아야 하고, 초기 금속 직물 중의 개공의 50% 이상, 특히 70% 이상, 이상적으로는 모두를 보존하는 것이 좋다. 이들 개공의 폐쇄 또는 보존은 그 중에서도 특히, 증착된 격리막의 두께에 의존한다. 상기 격리막의 두께는 직물 전극의 개공 중의 적어도 일부가 상기 격리막에 의하여 폐쇄되지 않도록 충분히 작아야 한다. The electrochemical half-cell according to the present invention comprises a fabric electrode with a nanostructured conversion layer as described above, said fabric electrode having a coating that ensures that its entire surface acts to separate said battery electrode . This coating is designed to electrically isolate the two electrodes of the battery. Further, since this separator should be able to be immersed in a liquid electrolyte containing at least one lithium salt, it is preferably a porous structure or polymer structure which can be swollen by the electrolyte. In order to preserve the high specific surface that results directly from the fabric structure of the electrodes of the present invention, i. E. Large non-capacity and energy density, the deposition of the separating film is carried out in such a way that this fabric structure always appears in the semi- It is essential. In other words, it is preferable that the apertures or the structure of the metal fabric forming the electrode should not be closed due to the deposition of the separator and that at least 50%, in particular at least 70%, ideally all of the apertures in the initial metal fabric should be preserved . Closure or preservation of these openings depends, inter alia, on the thickness of the deposited separation film. The thickness of the separation membrane should be sufficiently small so that at least a portion of the pores of the fabric electrode are not closed by the separation membrane.

그러한 격리막의 증착은 침지법, 분무법 또는 화학적 증기 증착법 등의 여러 가지 적절한 방법에 의하여 수행될 수 있지만, 이 피막의 증착은 전기 화학적 수단에 의하여, 특히 전기 이동법 (cataphoresis)이라는 명칭으로 알려져 있는 기술에 따라 수행되는 것이 좋다. 피복시키고자 하는 금속 구조체 또는 와이어를, 캐소드로서, 증착시키고자 하는 피막의 주성분을 함유하는 수용액에 도입시키는 기술은, 심지어 표면 형상이 매우 복잡한 구조체의 표면 전체를 피복하는, 매우 얇고 고르며 연속적인 증착을 가능하게 한다. 캐소드, 즉 피복시키고자 하는 구조체 또는 와이어를 향하여 이동할 수 있도록 하기 위하여, 증착시키고자 하는 상기 성분은 양전하이어야 한다. 예를 들면, 양이온성 단량체를 사용하여, 상기 캐소드 표면에 증착 및 중합체화 후, 불용성 중합체 피막을 형성하는 방법이 알려져 있다.The deposition of such a separation film can be carried out by various suitable methods such as dipping, spraying or chemical vapor deposition, but the deposition of this coating is carried out by electrochemical means, in particular by a technique known under the name cataphoresis . The technique of introducing the metal structure or wire to be coated as a cathode into an aqueous solution containing the main component of the film to be deposited is very thin and even and continuous deposition which covers the entire surface of the structure with a very complicated surface shape . In order to be able to move toward the cathode, i.e. the structure or wire to be coated, the component to be deposited must be positive. For example, a method is known in which a cationic monomer is used to form an insoluble polymer film on the surface of the cathode after deposition and polymerization.

본 발명의 반축전지의 양호한 실시 상태에 있어서, 상기 격리막은 전기 이동에 의하여 상기 양이온성 단량체, 좋기로는 4급 아민 작용기를 포함하는 양이온성 단량체를 함유하는 수용액으로부터 증착된다.In a preferred embodiment of the semi-accumulator of the present invention, the separation membrane is deposited from an aqueous solution containing cationic monomers comprising the cationic monomer, preferably a quaternary amine functional group, by electrophoresis.

본 발명의 반축전지의 양호한 실시 상태에 있어서, 상기 격리막은 전기 이동법에 의하여 상기 수용액으로부터 전술한 바와 같은 나노 구조로 된 변환층이 있는 직물 전극 표면에 증착된다. 그러나, 상기 격리막은, 예컨대 직물 구조를 생성하기 위한 직조 또는 편직 기술에 의하여 상기 금속 섬유 또는 와이어가 조립되기 전에, 전기 이동법에 의하여 상기 수용액으로부터 전술한 바와 같은 나노 구조로 된 변환층이 있는 금속 섬유 또는 와이어 표면에 증착되는 실시 상태도 역시 생각해 볼 수 있다. In a preferred embodiment of the semi-battery of the present invention, the separation membrane is deposited by electrophoresis from the aqueous solution onto a fabric electrode surface having a nanostructured conversion layer as described above. However, the separation membrane may be formed of a metal having a nanostructured conversion layer as described above from the aqueous solution by electrophoresis before the metal fiber or wire is assembled, for example, by weaving or knitting techniques to produce a fabric structure. The state of being deposited on the fiber or wire surface is also conceivable.

격리막에 의하여 피복된 직물 전극에 의하여 형성되는 전술한 반축전지는 이 반축전지 외에, 상기 반축전지의 격리막을 침지시키는 액체 전해질과, 상기 반축전지의 극성과 극성이 반대이고, 좋기로는 상기 전해질에 의하여 침지된 격리막의 표면을 완전히 덮는 전극을 포함하는 본 발명의 목적인 전기 화학적 축전지 내에 함유시킬 수 있다.The above-described semi-accumulator formed by the fabric electrode coated with the separator includes, in addition to the semi-accumulator, a liquid electrolyte for immersing the separator in the semi-accumulator, and a polarizer The electrode may be contained in an electrochemical battery for the purpose of the present invention including an electrode which completely covers the surface of the immersed separator.

본 발명의 양호한 실시 상태에 있어서, 상기 축전지는In a preferred embodiment of the present invention,

(ⅰ) 격리막이 있는 애노드를 포함하는 전술한 반축전지와,(I) the aforementioned half-cell comprising an anode with a separation membrane,

(ⅱ) 상기 반축전지의 격리막을 침지시키는 리튬염 함유 액체 전해질과,(Ii) a lithium salt-containing liquid electrolyte for immersing the separation membrane of the half-

(ⅲ) 캐소드로서, 리튬 이온 삽입재, 중합체 결합제 및 2차 전자 전도체를 포함하고, 전해질에 의하여 침지된 상기 격리막의 표면을 피복하고 있는 혼합물과,(Iii) a mixture containing a lithium ion-inserting material, a polymer binder and a secondary electron conductor as a cathode and covering the surface of the separator immersed by the electrolyte, and

(ⅳ) 예를 들면, 알루미늄으로 만들어진, 상기 캐소드로부터의 전류의 수집기(Iv) a collector of current from the cathode made, for example, of aluminum

를 포함하는 리튬 이온 축전지이다.A lithium ion battery.

리튬 이온 축전지에 사용되는 리튬염을 포함하는 액체 전해질은 이 기술 분야의 숙련자에게 알려져 있다. 리튬염의 예로서는, LiCF3SO3, LiClO4, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiAsF6, LiSbF6, LiPF6 및 LiBF4를 들 수 있다. 상기 염은 LiCF3SO3, LiClO4, LiPF6 및 LiBF4에 의하여 형성되는 군으로부터 선택되는 것이 좋다.Liquid electrolytes containing lithium salts for use in lithium ion batteries are known to those skilled in the art. Examples of the lithium salt include LiCF 3 SO 3, LiClO 4 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiPF 6 and LiBF 4 . The salt is preferably selected from the group formed by LiCF 3 SO 3, LiClO 4 , LiPF 6 and LiBF 4 .

일반적으로, 상기 염은 탄산프로필렌, 탄산디메틸 및 탄산에틸렌이 다양한 비율로 혼합된 혼합물로 일반적으로 구성되는 무수 유기 용매 중에 용해된다. 따라서, 상기 전해질은 일반적으로, 이 기술 분야의 숙련자에게 알려져 있는 바와 같이, 1종 이상의 환식 또는 비환식 탄산염, 좋기로는 환식 탄산염을 포함한다. 예를 들면, 상기 전해질은 EC (탄산에틸렌), DMC (탄산디메틸) 및 LiPF6염을 포함하는 머크사 (Merck)로부터 시판되는 화합물인 LP30으로 이루어지는데, 상기 용액은 염이 1 몰이고, 용매 중에 50 중량%/50 중량%이다.Generally, the salt is dissolved in an anhydrous organic solvent which is generally composed of a mixture of propylene carbonate, dimethyl carbonate and ethylene carbonate in various ratios. Thus, the electrolyte generally comprises one or more cyclic or acyclic carbonates, preferably cyclic carbonates, as is known to those skilled in the art. For example, the electrolyte consists of LP30, a compound commercially available from Merck, containing EC (ethylene carbonate), DMC (dimethyl carbonate) and LiPF 6 salt, 50% by weight / 50% by weight.

상기 리튬 이온 축전지의 캐소드는, 예컨대 알려져 있는 방식으로, LiCoO2, LiFePO4, LiCo1 /3Ni1 /3Mn1 /3O2 또는 LiMn2O4 등의 1종 이상의 리튬 이온 삽입재, 또는 LiMX2 (여기서, M은 전이 금속이고, X는 할로겐 원자를 나타낸다) 종류의 화합물을 포함한다.The cathode of the lithium ion secondary battery, for example a known manner, LiCoO 2, LiFePO 4, LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 or LiMn 2 O 4 lithium ion insertion of one or more such material, or LiMX 2 wherein M is a transition metal and X is a halogen atom.

이상에 설명되어 있는 것과는 대조적으로, 상기 격리막을 상기 직물 전극 표면에 증착시키기 위하여, 상기 전극의 직물 구조는 반대 전하의 전극, 특히 리튬 이온 축전지의 캐소드를 형성하는 물질의 증착 후에 항상 식별될 수 있는 것은 필수적이지 않다. 즉, 극성이 상기 직물 전극의 것과 반대인 전극을 형성하는 물질은, 좋기로는 상기 반축전지의 개공 또는 조직의 적어도 일부를 채우고, 이어서 상기 축전지는 연속 시트형 또는 시트의 조립체형 (각 시트는 전술한 직물 구조체를 포함한다)으로 나타난다.In contrast to what has been described above, in order to deposit the separating film on the surface of the fabric electrode, the fabric structure of the electrode can always be identified after the deposition of an electrode of opposite charge, especially a material forming the cathode of a lithium ion battery It is not necessary. That is, the material that forms the electrode whose polarity is opposite that of the fabric electrode fills at least a portion of the openings or tissues of the semi-accumulator, preferably the continuous type of sheet or an assembly of sheets Including one fabric structure.

본 발명의 축전지의 한 가지 특정의 실시 상태에 있어서, 상기 축전지는 전극 및 격리막 기능, 즉 상기 반축전지 기능뿐만 아니라, 상기 반대 극성 전극을 위한 집전(集電) 장치의 기능을 제공하는 직물 구조체를 포함한다. 이어서, 상기 반축전지 기능은, 예컨대 상기 직물 구조체의 날실 (warp) 와이어에 의하여 제공되고, 반대 극성의 전극용 집전 장치의 기능은 씨실 (weft) 와이어에 의하여 제공되는데, 또는 그 반대도 역시 같다. 이 경우에 있어서, 상기 날실 와이어는 나노 구조로 된 변환층이 있고 전술한 바와 같이 격리막 피복제에 의하여 도포된 주기율표의 Ⅳ족 내지 ⅩⅡ족으로부터의 1종 이상의 전이 금속으로 구성되는 금속 와이어이다. 상기 씨실 와이어는, 예컨대 알루미늄으로 만들어진, 양극용 집전 장치로서 역할을 할 수 있는 금속 와이어이다.In one particular embodiment of the battery of the present invention, the battery comprises a fabric structure providing the function of an electrode and a separator function, that is, the half-cell function, as well as a function of a collecting device for the opposite polarity electrode . The semi-battery function is then provided, for example, by a warp wire of the fabric structure, and the function of the current collector of the opposite polarity is provided by a weft wire, or vice versa. In this case, the warp wire has a nanostructured conversion layer and is a metal wire composed of at least one transition metal from the IV to XII group of the periodic table applied by the coating of the separating film as described above. The weft wire is a metal wire made of, for example, aluminum and capable of serving as a current collector for a positive electrode.

그러므로, 본 발명의 주제는,The subject of the present invention, therefore,

(ⅰ) (a) 주기율표의 Ⅳ족 내지 ⅩⅡ족으로부터의 1종 이상의 전이 금속을 포함하고, 평균 직경이 1 내지 1,000 nm인 나노 입자와 상기 전이 금속(들)의 1종 이상의 화합물을 포함하는 나노 구조로 된 변환층이 있고, 전체 표면이 격리막에 의하여 피복되어 있는, 음극 기능의 금속 와이어와,(I) at least one transition metal selected from the group consisting of (a) at least one transition metal from Groups IV to XII of the Periodic Table and having an average diameter of from 1 to 1,000 nm and at least one compound of the transition metal And the entire surface of which is covered with a separating film,

(b) 양극용 집전 장치로서 적절한 금속 와이어     (b) a metal wire suitable as a positive electrode current collector

의 양자를 모두 포함하는 직물 구조체와,A fabric structure including both of the fabric structure,

(ⅱ) 상기 반축전지의 격리막을 침지시키는 리튬염 함유 액체 전해질과,(Ii) a lithium salt-containing liquid electrolyte for immersing the separation membrane of the half-

(ⅲ) 캐소드로서, 리튬 이온 삽입재, 중합체 결합제 및 2차 전자 전도체를 포함하며, 상기 전해질 (ⅱ)에 의하여 침지된 격리막을 포함하는 상기 직물 구조체 (ⅰ)의 표면 전체를 피복하는 혼합물(Iii) a mixture that covers the entire surface of the fabric structure (i) including a lithium ion inserting material, a polymer binder and a secondary electron conductor, and a separation membrane immersed by the electrolyte (ii)

을 포함하는 리튬 이온 축전지이다.A lithium ion battery.

그 밖에, 본 발명의 주제는 전술한 축전지의 하이브리드 자동차 (재충전식 또는 기타), 전기 자동차, 휴대용 장치 및 정치 산업 (stationary application)용 배터리로서의 용도이다.In addition, the subject matter of the present invention is the use of batteries as batteries for hybrid cars (rechargeable or otherwise) of batteries, electric vehicles, portable devices and stationary applications.

마지막으로, 본 발명의 용도는 본 발명에 따른 직물 전극을 포함하는 초고용량 캐패시터 (Supercapacitor)이다.Finally, the application of the present invention is a supercapacitor comprising a fabric electrode according to the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 반축전지의 상면도 (도 1A)와, 도 1A의 일점쇄선 AA'에 의한 단면도 (도 1B)를 나타내고 있다. 그러한 반축전지 200은 전자 수집기 100을, 일반적으로 도 1A에 그 일부가 나타나 있는 섬유형으로 포함하는데, 상기 전자 수집기의 표면에는 활성 물질로 이루어진 층 101이 마련되어 있다. 상기 활성 물질로 이루어진 층은, 예컨대 고온의 공기 중에서 상기 수집기 100의 열처리에 의하여 마련되어 있다. 상기 수집기 100은 일반적으로 스테인리스강으로 제조된다. 상기 수집기 100의 구성 성분인 크롬 (Cr), 철 (Fe) 및 망간 (Mn) 공기 중의 산소 (O2)와 반응하여 주로 나노 입자형의 크롬계 산화물을 형성한다. 카본 블랙과 같은 2차 전자 전도체, 결합제 또는 또 다른 금속 등의 어떠한 외부 재료도 첨가되어 있지 않다. 수집기 100 및 이의 나노 구조로 된 변환층 101의 표면의 격리막 필름 102는, 일반적으로 전기 이동 공정에 의하여, 변환층이 있는 금속 섬유의 와이어의 표면을 완전히 덮는 박막의 형태로 증착되어 있다. 이 피막 102는 섬유의 개공 103을 폐쇄하지 않도록 증착되어 있는데, 이는 도 1A에 잘 나타나 있다. 이 격리막은 리튬 이온 배터리용 액체 전해질로 침지시킬 수 있다는 특징이 있다.1 shows a top view (FIG. 1A) of a half-cell according to the present invention and a cross-sectional view (FIG. 1B) taken along one-dot chain line AA 'in FIG. 1A. Such a semi-battery 200 includes an electron collector 100 , generally in the form of a fiber, part of which is shown in Figure IA, with a layer 101 of active material on the surface of the collector. The layer made of the active material is prepared, for example, by heat treatment of the collector 100 in a high temperature air. The collector 100 is generally made of stainless steel. The chromium (Cr), iron (Fe), and manganese (Mn) constituting components of the collector 100 react with oxygen (O 2 ) in the air to form a chromium oxide of a nanoparticle type. No external materials such as a secondary electron conductor such as carbon black, a binder or another metal are added. The separator film 102 on the surface of the collector 100 and the nanostructured conversion layer 101 is deposited in the form of a thin film that completely covers the surface of the wire of the metal fiber with the conversion layer, generally by an electrophoresis process. This coating 102 is deposited so as not to close the openings 103 of the fibers, which is well illustrated in FIG. 1A. This separator is characterized by its ability to be immersed in a liquid electrolyte for a lithium-ion battery.

Claims (21)

(a) 주기율표의 IV족 내지 XII족으로부터의 1종 이상의 전이 금속을 포함하는 전자 수집기와,(a) an electron collector comprising at least one transition metal from group IV to XII of the periodic table, (b) 나노 입자 또는 이 나노 입자로 이루어진 클러스터를 포함하는 나노 구조인 변환층의 형태로 상기 전자 수집기의 표면에 존재하는 전기 화학적 활성 물질을 포함하고, (b) an electrochemically active material present on the surface of the electron collector in the form of a nanoparticle or a conversion layer which is a nanostructure comprising a cluster of nanoparticles, 상기 나노 입자는 평균 직경이 1 내지 1,000 nm이며, The nanoparticles have an average diameter of 1 to 1,000 nm, 상기 전기 화학적 활성 물질은 상기 전자 수집기 내에 존재하는 전이 금속(들) 중 적어도 1종의 화합물을 포함하는 전극으로서, Wherein the electrochemically active material is an electrode comprising at least one compound of the transition metal (s) present in the electron collector, 상기 전극은 금속 와이어로부터 형성되는 직물이고,The electrode is a fabric formed from a metal wire, 상기 전극은 단위 면적 질량이 1000 g/㎡의 기하학적 표면 미만이며,The electrode has a geometric surface area area mass of less than 1000 g / m < 2 & 상기 전극은 단위 표면당으로 표시되는 비표면이 2 내지 100 ㎡/㎡의 전극의 기하학적 표면이고,Wherein the electrode is a geometric surface of an electrode having a specific surface of 2 to 100 m < 2 > / m < 2 & 상기 전극은 전극의 단위 질량당 전면(展面)이 10-3 내지 5 ㎡/g의 전극인 것을 특징으로 하는 전극. Wherein the electrode is an electrode having a surface area of 10 < -3 > to 5 m < 2 > / g per unit mass of the electrode. 제1항에 있어서, 금속 와이어로 형성되는 상기 직물은 직조물, 부직물 또는 편직물인 것을 특징으로 하는 것인 전극. The electrode of claim 1, wherein said fabric formed of a metal wire is a woven, non-woven or knitted fabric. 제1항에 있어서, 활성 물질로 이루어진 변환층으로 피복된 상기 직물 전극의 와이어의 단면의 등가 직경은 5 ㎛ 내지 1 ㎜인 것을 특징으로 하는 것인 전극.The electrode according to claim 1, characterized in that the equivalent diameter of the cross section of the wire of the fabric electrode coated with the conversion layer made of an active material is 5 탆 to 1 mm. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전자 수집기의 전이 금속(들)은 니켈, 코발트, 망간, 구리, 크롬 및 철로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것인 전극.4. Electrode according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the transition metal (s) of the electron collector is selected from the group consisting of nickel, cobalt, manganese, copper, chromium and iron. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전이 금속 화합물(들)은 칼코겐화물 및 할로겐화물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것인 전극.The electrode of any one of claims 1 to 3, wherein the transition metal compound (s) is selected from chalcogenides and halides. 제8항에 있어서, 상기 전이 금속 화합물(들)은 산화물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 것인 전극.9. The electrode of claim 8, wherein the transition metal compound (s) is selected from oxides. 제9항에 있어서, 10. The method of claim 9, 상기 전이 금속 (M) 화합물(들)은 화학식이 MxOy인 것들이고, The transition metal (M) compound (s) are those of the formula M x O y , 상기 식 MxOy 중에서 1 ≤ x ≤ 3이고, 1 ≤ y ≤ 5임을 특징으로 하는 것인 전극.Wherein 1? X? 3 and 1? Y? 5 in the formula M x O y . 제10항에 있어서, 11. The method of claim 10, 상기 전이 금속 화합물은 화학식이 Fex'Cry'Mnz'O4 및 Cr2O3인 것들로부터 선택되고, Wherein said transition metal compound is selected from those of the formula Fe x ' Cr y' Mn z ' O 4 and Cr 2 O 3 , 상기 식 Fex'Cry'Mnz'O4 중에서 0 ≤ x' ≤ 1, 0 ≤ z' ≤ 1 및 x'+y'+z'=3임을 특징으로 하는 것인 전극.Wherein 0? X '? 1, 0? Z'? 1 and x '+ y' + z '= 3 in the formula Fe x' Cr y ' Mn z' O 4 . 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전기 화학적 활성 물질은 상기 전자 수집기의 표면을 두께가 30 nm 내지 15,000 nm인 변환층의 형태로 완전히 피복하는 것을 특징으로 하는 것인 전극.The electrochemical device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the electrochemically active material completely covers the surface of the electron collector in the form of a conversion layer having a thickness of 30 nm to 15,000 nm. . 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전자 수집기는 스테인리스강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 것인 전극.The electrode according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the electron collector is made of stainless steel. 전체 표면이 격리막으로 피복되어 있는 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나의 항에 기재된 직물 전극을 포함하고, The fabric electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the entire surface is covered with a separator, 상기 격리막의 두께는, 상기 직물 전극의 적어도 일부의 개공이 상기 격리막에 의하여 폐쇄되지 않도록 충분히 얇은 것인 전기 화학적 반축전지.Wherein the thickness of the separation membrane is sufficiently thin such that at least a portion of the opening of the fabric electrode is not closed by the separation membrane. 제14항에 있어서, 상기 격리막은 양이온성 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인 전기 화학적 반축전지.15. The electrochemical half-cell of claim 14, wherein the separation membrane comprises a cationic polymer. (ⅰ) 제14항에 기재된 반축전지와,(I) a semi-accumulator according to claim 14, (ⅱ) 상기 반축전지의 격리막을 침지시키는 액체 전해질과,(Ii) a liquid electrolyte for immersing the separation membrane of the half-cell, (ⅲ) 극성이 상기 반축전지의 극성과 반대이고, 상기 전해질에 의하여 침지된 격리막의 표면을 완전히 피복하는 전극(Iii) an electrode which has a polarity opposite to the polarity of the half-cell and completely covers the surface of the separator immersed by the electrolyte, 을 포함하는 전기 화학적 축전지.≪ / RTI > 제16항에 있어서,17. The method of claim 16, (i) 상기 반축전지의 격리막을 침지시키는 리튬염 함유 액체 전해질과,(i) a lithium salt-containing liquid electrolyte for immersing the separation membrane of the half-cell, (ii) 캐소드로서, 리튬 이온 삽입재, 중합체 결합제 및 제2 전자 전도체를 포함하고, 상기 전해질에 의하여 침지된 격리막의 표면을 피복하는 혼합물과,(ii) a mixture comprising a lithium ion inserting material, a polymer binder, and a second electron conductor, as a cathode, covering the surface of the separator immersed by the electrolyte, (iii) 상기 캐소드로부터의 전류의 수집기(iii) a collector of current from the cathode 를 포함하고,Lt; / RTI > 상기 반축전지는 격리막이 있는 애노드를 포함하며, The half-cell comprising an anode with a separation membrane, 상기 전기 화학적 축전지는 리튬 이온 축전지인 것인 전기 화학적 축전지.Wherein the electrochemical battery is a lithium ion battery. (ⅰ) (a) 주기율표의 IV족 내지 XII족으로부터의 1종 이상의 전이 금속을 함유하고, 평균 직경이 1 내지 1,000 nm인 나노 입자와 상기 전이 금속(들) 중 1종 이상의 화합물을 포함하는 나노 구조인 변환층을 가지며, 전체 표면이 격리막에 의하여 피복되어 있는, 음극 기능의 금속 와이어와,(I) a nanoparticle comprising (a) at least one transition metal from group IV to XII of the periodic table and having an average diameter of from 1 to 1,000 nm and at least one nano- A metal wire having a function as a negative electrode, the metal wire having a conversion layer as a whole and having an entire surface covered with a separator, (b) 양극용 전자 수집기로서의 금속 와이어     (b) a metal wire as an electron collector for a positive electrode 의 양자를 모두 포함하는 직물 구조체와,A fabric structure including both of the fabric structure, (ⅱ) 반축전지의 격리막을 침지시키는 리튬염 함유 액체 전해질과,(Ii) a lithium salt-containing liquid electrolyte for immersing a separation membrane of a half- (ⅲ) 캐소드로서, 리튬 이온 삽입재, 중합체 결합제 및 2차 전자 전도체를 포함하며, 상기 전해질 (ⅱ)에 의하여 침지된 격리막을 포함하는 상기 직물 구조체 (ⅰ)의 표면 전체를 피복하는 혼합물(Iii) a mixture that covers the entire surface of the fabric structure (i) including a lithium ion inserting material, a polymer binder and a secondary electron conductor, and a separation membrane immersed by the electrolyte (ii) 을 포함하는 리튬 이온 축전지.And a lithium ion battery. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나의 항에 기재된 전극을 포함하는 초고용량 캐패시터.An ultra-high capacity capacitor comprising the electrode according to any one of claims 1 to 3. 제17항에 있어서, 상기 리튬 이온 축전지는 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 휴대용 장치 및 정치 산업용 배터리로 사용되는 것인, 전기 화학적 축전지.18. The electrochemical cell of claim 17, wherein the lithium ion battery is used as a battery for a hybrid vehicle, an electric vehicle, a portable device, and a political industry. 제9항에 있어서, 상기 전이 금속 (M) 화합물(들)은, The method of claim 9, wherein the transition metal (M) compound (s) 화학식 AB2O4로 나타내는 스피넬 구조체 및 세스퀴옥시드 M'2O3로부터 선택되고,A spinel structure represented by the formula AB 2 O 4 , and a sesquioxide M ' 2 O 3 , 상기 식 AB2O4중에서, A는 Fe, Mn, Cr, Ni, Co 및 Cu로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속이고, B는 Fe, Cr 및 Mn로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속이며, The expression from the AB 2 O 4, A is Fe, Mn, Cr, Ni, Co and a transition metal at least one member selected from the group consisting of Cu, B is at least one member selected from the group consisting of Fe, Cr and Mn Transition metal, 상기 식 M'2O3 중에서, M'은 Fe, Mn, Cr, Ni, Co 및 Cu로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속인 것을 특징으로 하는 것인 전극.Wherein M 'is at least one transition metal selected from the group consisting of Fe, Mn, Cr, Ni, Co and Cu among the above M' 2 O 3 .
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